螺線管內(nèi)部磁場(馬宋設(shè)老師)

用霍爾效應(yīng)測螺線管軸向磁場分布馬宋設(shè)老師基于霍爾效應(yīng)的霍爾元件可用于測量磁感應(yīng)強度和電流，在測量技術(shù)、自動控制、磁流體發(fā)電等科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用.前言實驗任務(wù)——利用霍爾效應(yīng)測量螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強度的分布.完成這一實驗任務(wù)，必須做以下工作：儀器調(diào)節(jié)(將儀器調(diào)節(jié)到標準工作狀態(tài)).儀器標定(確定霍爾電壓與磁感應(yīng)強度的關(guān)系).測量通電螺線管內(nèi)軸線上磁感應(yīng)強度的分布.關(guān)鍵提示本實驗關(guān)鍵點如下：1.接線2.調(diào)標準工作狀態(tài)3.定標：固定位置、改變勵磁電流4.測量：固定勵磁電流、改變位置請按以上關(guān)鍵點閱讀以下材料。實驗原理現(xiàn)象——霍爾效應(yīng)載流導(dǎo)體薄板處在方向垂直于電流的磁場中時，在垂直于電流和磁場的方向上產(chǎn)生電勢差——

霍爾電壓VH.理論分析磁場中運動載流子受洛倫茲力作用電荷聚集形成電場電場力與洛倫茲力達到平衡，形成穩(wěn)定電壓VHmA-BmV又考慮到(n為載流子濃度)實驗原理即：KH=1/(ned)稱為霍爾元件的靈敏度.IS為流過霍爾元件的電流，即其工作電流.——確定VH和IS即可求得磁感應(yīng)強度的量值.實驗裝置IUV500螺線管實驗電源包括集成霍耳傳感器探測棒、螺線管、直流穩(wěn)壓電源、直流穩(wěn)壓電源、數(shù)字電壓表、雙刀和單刀換向開關(guān)及導(dǎo)線若干.實驗裝置本實驗儀采用SS95A型集成霍爾傳感器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖：在零磁場條件下，調(diào)節(jié)V+、V-所接的電源電壓，使輸出電壓為2.500V時，傳感器工作電流即為標準工作電流.V為霍爾傳感器輸出電壓標準工作電流下磁場與霍爾元件輸出電壓的關(guān)系為：測量時霍爾傳感器必須處于標準工作電流下.V+和V-構(gòu)成電流輸入端Vout和V-構(gòu)成電壓輸出端V’是用2.500V外接電壓補償后的輸出值.實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)一.需連接以下電路:連接給螺線管提供勵磁電流的電路.連接給霍爾元件提供工作電流(IS)的電路.連接輸出霍爾電壓的電路.連接外接補償電壓(2.500V)的電路.

詳見下頁圖示.實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)為螺線管提供勵磁電流(流過螺線管的電流)，產(chǎn)生磁場.V+和V-

:給霍爾元件提供工作電流Vout和V-

:輸出霍爾電壓外接2.500V補償電壓注意：V+、V-不能接反，否則將損壞元件.調(diào)節(jié)外接2.500V補償電壓調(diào)節(jié)霍爾元件工作電流雙刀換向開關(guān)K2用于改變勵磁電流的方向.顯示勵磁電流大小調(diào)節(jié)勵磁電流集成霍爾元件霍爾元件位置讀數(shù)顯示霍爾元件輸出電壓.量程切換實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)外接2.500V補償電壓調(diào)節(jié)霍爾元件工作電流雙刀換向開關(guān)K2用于改變勵磁電流的方向.顯示勵磁電流大小調(diào)節(jié)勵磁電流集成霍爾元件霍爾元件位置讀數(shù)顯示霍爾元件輸出電壓.量程切換實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)二.將霍爾元件的工作電流調(diào)節(jié)為標準工作電流將開關(guān)K1指向位置1，調(diào)節(jié)4.8V—5.2V電源輸出電壓，使數(shù)字電壓表顯示的“Vout”和“V-”間的電壓為2.500V，此時集成霍爾元件達到標準化工作狀態(tài)，即流過霍爾元件的電流為標準工作電流，且剩余電壓恰好補償，V0=0V.斷開開關(guān)K2，使集成霍耳傳感器處于零磁場條件下.K2仍斷開，保持V+和V-電壓不變，把開關(guān)K1指向2，調(diào)節(jié)2.4V—2.6V的外接補償電壓，使數(shù)字電壓表在mV檔的示值為0，即用一個外接2.500V電位差對傳感器輸出的2.500V電位差進行補償，以便可直接讀出V’

.三.對傳感器輸出的2.500V電位差進行補償實驗內(nèi)容：儀器調(diào)節(jié)注意區(qū)分IS與IM螺線管中央處磁感應(yīng)強度與勵磁電流的關(guān)系:霍爾元件的靈敏度K=KHIS為:實驗內(nèi)容：靈敏度的測定方法：霍爾元件位置固定(置于螺線管的中央)，改變勵磁電流.

目的：確定霍爾電壓與磁感應(yīng)強度的關(guān)系.霍爾電壓與磁感應(yīng)強度的關(guān)系:霍爾元件置于螺線管中央，改變勵磁電流IM(0-500mA)

，測量

關(guān)系(測10組數(shù)據(jù)).繪制

關(guān)系曲線，計算斜率

.注意：兩端的磁場變化快而中間變化慢，測量點在兩邊應(yīng)比中間取得密一些用測得的軸線上各點的磁感應(yīng)強度，繪制螺線管軸線上磁場的分布曲線.勵磁電流為0時，霍爾電壓總為0嗎？IM=0時，由于地磁場的存在，VH不一定為0，怎樣消除地磁場的影響？每個點IM正、反向各測一次，取二者絕對值的平均值作為該點的數(shù)據(jù)，即可消除地磁場的影響.實驗內(nèi)容：螺線管軸線磁場分布的測量方法：保持勵磁電流不變(250mA)，改變霍爾元件位置(0~30.0cm)，測量螺線管軸線上各點的霍爾電壓，并利用上面已測定的靈敏度計算各點的磁感應(yīng)強度.實驗數(shù)據(jù)例——靈敏度的測定Im/mA050100150200250300350400450500U/mV022.244.166.188.1110.1132.0154.1176.0198.0220.0表1測量霍爾電壓(已放大)與勵磁電流IM的關(guān)系

(霍爾傳感器處于螺線管中央位置，即X=17.0cm處)霍爾電壓與勵磁電流的關(guān)系曲線：實驗數(shù)據(jù)例——螺線管內(nèi)軸線磁場分布的測定(表2：螺線管內(nèi)磁感應(yīng)強度B與位置X的關(guān)系)X/cmU’1/mVU’2/mVU’/mVB/mT1.009.0-8.88.900.291.5012.5-12.412.450.412.0017.8-17.817.800.582.5025.7-25.625.650.843.0038.4-38.338.351.263.5054.6-54.554.551.794.0071.1-70.971.002.334.5084.5-84.484.452.775.0093.6-93.493.503.075.5098.9-98.698.753.246.00102.5-102.2102.353.366.50104.8-104.5104.653.437.00106.3-105.9106.103.487.50107.3-106.9107.103.51實驗數(shù)據(jù)例——螺線管內(nèi)軸線磁場分布的測定(續(xù)表2)X/cmU’1/mVU’2/mVU’/mVB/mT8.00108.0-107.6107.803.539.00108.9-108.4108.653.5610.00109.2-108.7108.953.5711.00108.9-108.4108.653.5612.00108.7-108.2108.453.5613.00109.2-108.6108.903.5714.00109.7-109.2109.453.5915.00110.2-109.5109.853.6016.00110.4-109.8110.103.6117.00110.7-110.1110.403.6218.00110.7-110.1110.403.6219.00110.6-109.8110.203.6120.00110.6-109.9110.253.6121.00110.5-109.8110.153.6122.00110.2-109.4109.803.60實驗數(shù)據(jù)例——螺線管內(nèi)軸線磁場分布的測定(續(xù)表2)X/cmU’1/mVU’2/mVU’/mVB/mT23.00109.9-109.2109.553.5924.00109.7-108.9109.303.5824.50109.5-108.6109.053.5825.00109.1-108.2108.653.5625.50108.5-107.6108.053.5426.00107.6-106.6107.103.5126.50106.1-105.1105.603.4627.00103.6-102.7103.153.3827.5099.5-99.099.253.2528.0093.5-92.793.103.0528.5083.5-83.183.302.7329.0069.0-68.668.802.2629.50